Americkí vedci z Pennsylvania State University dokázali niečo, čo sa považovalo za nemožné už viac ako jedno a pol storočia. Experimentálne narušili základný fyzikálny zákon, ktorý platil od roku 1860. Reč je o Kirchhoffovom zákone tepelného žiarenia, ktorý hovorí, že každý materiál pohlcuje a vyžaruje energiu pri tej istej vlnovej dĺžke a uhle rovnakou intenzitou.

Princíp reciprocity bol kľúčový pre pochopenie prenosu tepla a vyžarovania energie, a to nielen vo vedeckých výpočtoch, ale aj v každodenných technológiách ako sú solárne panely či senzory.

Vedci prelomili základný fyzikálny zákon

Výskumníci publikovali výsledky, ktoré predstavujú najväčšie zaznamenané odchýlenie od tohto princípu. Dosiahli kontrast nerekipročnosti vo výške 0,43, čo znamená výrazný rozdiel medzi schopnosťou materiálu absorbovať a vyžarovať tepelnú energiu. V bežných systémoch by sa táto hodnota mala rovnať nule.

Za efektom stojí tenký päťvrstvový film vyrobený z rôznych polovodičových materiálov. Celková hrúbka štruktúry je približne dva mikrometre. Vďaka precíznemu vrstveniu a výberu materiálov sa podarilo vytvoriť štruktúru, ktorá má v infračervenom spektre viacero rezonančných špičiek. Súčasne absorbuje aj vyžaruje teplo vo viacerých vlnových dĺžkach. Práve v tomto širokom pásme sa efekt nerekipročnosti ukazuje ako mimoriadne výrazný.

Pixabay

Jednou z výhod novej technológie je, že film možno preniesť na rôzne podkladové materiály, čo výrazne zvyšuje flexibilitu a možnosti využitia v praxi. Ako uviedol spoluautor výskumu a doktorand Alireza Kalantari Dehaghi, vďaka tomu sa dá materiál integrovať do rôznych zariadení a tým zlepšiť efektivitu pri premene energie alebo prenose tepla.

Nová éra energetickej účinnosti

Vedci zároveň upozorňujú na obrovský potenciál, ktorý s objavom prichádza. Doterajšie solárne články musia podľa Kirchhoffovho zákona späť do vesmíru vyžarovať časť absorbovanej energie, čo predstavuje čistú stratu. Ako poznamenal spoluautor Zhenong Zhang, ak sa podarí využiť materiály s nerekipročným správaním, dá sa smer vyžarovania energie zmeniť. Môže vzniknúť druhý solárny článok, ktorý zachytí túto stratenú energiu a tým zvýši celkovú účinnosť premeny slnečného žiarenia na elektrickú energiu.

Na pozorovanie a presné meranie javu vedci skonštruovali špeciálny merací prístroj – magnetický spektrofotometer na meranie tepelného vyžarovania pod rôznymi uhlami. Prístroj im umožnil skúmať, ako sa materiál správa pod silným magnetickým poľom, ktoré bolo kľúčové na vytvorenie požadovaného nerekipročného efektu.

Práca z Penn State tak predstavuje nielen vedecký prelom, ale aj začiatok úplne nového prístupu k využívaniu tepelnej energie. Využitím efektu nerekipročnosti by sa mohli zásadne zefektívniť solárne články, senzory aj technológie na prenos tepla.

Čítajte viac z kategórie: Novinky